基于养分专家系统推荐施肥在东北玉米上的长期综合效应

侯云鹏，孔丽丽，徐新朋，尹彩侠，张 磊，赵胤凯，刘志全，王立春

基于养分专家系统推荐施肥在东北玉米上的长期综合效应

侯云鹏1，孔丽丽1，徐新朋2，尹彩侠1，张 磊1，赵胤凯1，刘志全1，王立春1※

（1. 农业农村部东北植物营养与农业环境重点实验室/吉林省农业科学院农业资源与环境研究所，长春 130033； 2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

为明确养分专家系统推荐施肥对东北玉米产量与收益、肥料利用率与土壤养分的长期综合效应，于2012—2020年开展了田间定位试验，共设置5处理：分别为1）不施肥（CK）；2）农民习惯施肥（FP）；3）养分专家系统推荐施肥（NE）；4）在NE基础上配施缓/控释氮肥（NER）；5）土壤测试推荐施肥（ST）。探究9 a间产量与收益、肥料利用率、土壤养分和养分平衡的变化规律。结果表明，NE和ST处理较FP处理显著降低了氮磷肥用量（<0.05），显著增加了钾肥用量（<0.05）。与FP处理相比，NE、NER和ST处理提高了玉米产量、收益及其稳定性。其中均以NE处理最高，之后依次为ST和NER处理。NE、NER和ST处理肥料平均回收利用率、农学利用率和偏生产力较FP处理分别提高了29.0%～40.1%（<0.05）、31.3%～44.3%（<0.05）和22.0%～31.7%（<0.05），且均以NE处理最高。与FP处理相比，NE、NER和ST处理提高了0～30 cm土壤无机氮含量，降低了>30～90 cm土壤无机氮和0～30 cm土壤有效磷含量，而不同施肥处理土壤速效钾含量差异未达显著水平（>0.05），其中NE处理与试验起始养分含量最为接近。9 a养分平衡结果显示，FP、NE、NER和ST处理氮、磷均表现为盈余，而钾素表现为亏缺，且NE处理氮、磷盈余量和钾亏缺量均为最低。综上，与农民习惯施肥和土壤测试推荐施肥相比，养分专家系统推荐施肥不仅可提高玉米产量、收益和肥料利用效率，并可保持土壤养分稳定。因此，它是一种适用于中国东北玉米的推荐施肥方法。

土壤；养分；肥料；养分专家系统；玉米产量；净收入；肥料利用效率；养分平衡

0 引 言

东北是中国最大的春玉米种植区域，常年种植面积达1 655.42万hm2，总产量11 591.8万t，分别占中国玉米种植面积的40%和总产量的44.5%[1]，其高产稳产对保证中国粮食安全举足轻重[2]。化肥作为粮食的“粮食”，对玉米产量的提高发挥了重要作用[3-4]，但在提高玉米产量的同时，由于化肥的不合理投入，不仅导致土地产出效率处于较低水平[5-6]，同时还对生态环境产生了不利影响，如温室效应和对水、土的环境污染[7-8]。可见，合理地进行养分管理，在确保粮食产量同时，降低化肥对环境的影响显得尤为重要。

目前国内外养分管理主要依据以土壤测试[9-10]和作物反应[11-12]为基础推荐施肥。这些推荐施肥方法确定的养分管理措施在提高玉米产量、收益和肥料利用率方面发挥了积极作用。但这些方法普遍存在分析速度慢、时效性差、测试成本高等问题，而且在生产实践中很难落实到每个生产主体上。因此，需要更加科学系统、灵活便利、适用于小农户的推荐施肥方法。养分专家系统（Nutrient Expert System，NE）是一种应用地上部养分吸收或产量反应表征土壤养分供应能力而建立的推荐施肥方法，其推荐施肥原理是基于作物产量反应和农学效率[13]，在有或无土壤测试条件下均可以应用。该方法可有效避免土壤测试与作物产量反应间相关性弱的问题，并可解决不同地块间土壤肥力条件的差异，是一种适应不同种植规模生产管理方式的推荐施肥方法[14]，得到广泛应用。

近年来基于养分专家系统推荐施肥在小麦、玉米、水稻、马铃薯等作物上开展诸多研究，取得了重要进展。这些研究均表明，基于养分专家系统推荐施肥策略可有效避免施肥过量或不足等问题，并使作物产量、收益和作物养分利用效率显著提高[15-17]。但这些研究多集中在玉米产量、经济效益、肥料利用率和模型稳定性等方面，缺乏对土壤有效养分变化特征的关注，且多集中在1～2 a的短期试验，有关更长时间试验条件下基于养分专家系统推荐施肥在东北玉米上的综合效应鲜见报道，而不同施肥模式下的施肥效应以及土壤有效养分变化特征需要通过长期的定位试验来评价。因此，本研究通过在吉林省中部地区开展的连续9 a定位试验（2012—2020年），应用产量、经济效益、肥料利用率和土壤养分供应能力等方面的综合特征变化对不同施肥模式进行综合评价，其目标是：1）明确养分专家系统推荐施肥下的玉米产量、经济效益和养分吸收利用的变化特征；2）明确养分专家系统推荐施肥对土壤有效养分（无机氮、有效磷和速效钾）和养分收支平衡的长期影响，以期为东北地区玉米科学施肥和可持续高效施肥技术创新提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验于2012—2020年在吉林省公主岭市陶家屯镇（35°58′41″N，116°58′22″E）进行。该地区位于吉林省中部地区，四季分明，雨热同季。多年平均气温5.6 ℃，降雨量594.8 mm，无霜期144 d。供试土壤类型为黑土，质地为砂壤，2012年试验起始时土壤养分状况为：有机质21.28 g/kg，pH值6.32，碱解氮102.66 mg/kg、有效磷39.13 mg/kg、速效钾112.42 mg/kg。

1.2 试验设计

试验共设置5个处理，包括：1）不施肥（CK）；2）农民习惯施肥措施：根据调查农户施肥与种植模式确定（FP）；3）使用养分专家系统软件进行肥料管理（NE），首先对农户进行播前调查试验地块的质地、颜色、肥料使用情况、秸秆处理方式和该地块过去3～5 a玉米产量等信息，输入NE系统得出肥料用量和施肥方法；4）使用养分专家系统推荐施肥缓控释氮肥一次性施用方案，50%包膜尿素+50%普通尿素（NER）；5）基于土壤测试推荐施肥（ST）；不同处理肥料用量及各时期施用比例见表1。每个处理重复3次，小区面积60 m2（长15.4 m×宽3.9 m），完全随机排列。试验用氮、磷、钾肥分别为尿素（N 46%，质量分数，下同）、树脂包膜尿素（43% N，氮素释放曲线为S型，释放期为60 d）、重过磷酸钙（46% P2O5）和氯化钾（60% K2O）。供试玉米品种根据每年《吉林省农业农村厅关于发布吉林省农业主导品种和主推技术的通知》选定，具体玉米品种分别为：先玉335（2012－2014年）、农华101（2015－2019年）和富民108（2019－2020年）。种植密度分别为60 000株/hm2（2012－2014年）和65 000株/hm2（2015－2020年）。于4月28日－5月7日播种，9月28日－10月6日收获。试验开展过程中无人工灌溉，其他病虫草害的防治措施均按当地习惯方式进行。

表1 不同处理肥料运筹

1.3 项目测定与方法

1.3.1 植株样品采集与分析

玉米成熟期，在各小区随机选取5株玉米，分为茎秆与籽粒两部分，105 ℃烘箱中杀青 30 min后，调至65 ℃烘干至恒质量，计算生物量。采用H2SO4-H2O2法消煮制备待测液，分别用凯氏定氮法、钒钼黄比色法、火焰光度计法测定玉米植株和籽粒全氮、全磷、全钾含量[18]。

1.3.2 土壤样品采集与分析

每季玉米收获后，采集0～90 cm土壤（30 cm为一层），每个小区采集5点，去除植物残体与根系，同层次土壤混合后带回实验室，其中0～30 cm土壤分为两部分，一部分放置于阴凉通风处风干，研磨过1 mm筛后测定土壤有效磷和速效钾含量，另一部分与30～60 cm和60～90 cm土壤研磨过 5 mm筛后，测定土壤无机氮含量（NO3-N和NH4+N含量之和），土壤NO3-N和NH4+N含量采用2 mol/L KCl溶液（土液比1:5）震荡浸提, 流动注射分析仪测定（FIAstar5000，FOSS，丹麦）。有效磷含量采用0.05 mol NaHCO3浸提，紫外分光光度计测定（用700 nm波长比色）；速效钾含量采用醋酸铵浸提，火焰光度法测定[18]。

1.3.3 成熟期玉米产量测定

成熟期于各小区选取中间两行玉米收获，自然风干后脱粒，测定春玉米籽粒含水率，并基于中国粮食安全储藏标准中规定14.0%含水率，换算成玉米产量。

1.4 试验数据处理

产量、净收入的稳定性和可持续性指数 以变异系数（Coefficient of Variation, CV）和可持续指数（Sustainable Index，SI）衡量年际间产量和净收入的变异程度来确定产量和净收入的稳定性，CV值越大则说明产量和净收入的稳定性越低，SI 指数越高则说明该系统产量和净收入的稳定性可持续越好。计算公式为[19]

CV=/×100% （1）

SI=(−)/max（2）

式中为标准差，kg/hm2，为试验中某一处理的产量或净收入均值，max为所有年份中产量或净收入的最大值。

养分收支平衡（kg/hm2）=地上部养分积累量－施肥量

净收入（元/hm2）=玉米产量×玉米价格－生产投入成本（具体包括种子、肥料、农药、种植收获人工成本）

肥料回收利用率（RE%）=（施肥区植株地上部养分积累量－不施肥区植株地上部养分积累量）/施肥量×100

肥料农学利用率（AE，kg/kg）=（施肥区籽粒产量－不施肥区籽粒产量）/施肥量

肥料偏生产力（PFP，kg/kg）=施肥区籽粒产量/施肥量

不同年份间肥料利用效率可看作当季肥料养分利用效率，将9 a平均肥料利用效率作为累积肥料利用效率进行比较。玉米价格由根据每年玉米市场价格确定；生产投入成本由根据每年种子、肥料、农药价格和种植收获人工成本确定。

试验数据采用Excel 2016进行整理，SigmaPlot 14.0软件绘图。SAS 9.0软件进行统计分析，采用LSD法在0.05水平下进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理施肥量比较

从肥料用量的分布情况结果可知（图1），NE/NER和ST处理肥料总量无论最大值、最小值或均值均显著低于FP处理（0.05）。在不同营养元素中，NE/NER和ST处理氮、磷肥用量均显著低于FP处理（0.05），其中氮肥平均用量分别下降24.1%和15.6%，磷肥平均用量分别下降28.4%和18.0%，而钾肥用量则显著高于FP处理（0.05），平均用量分别提高24.9%和9.5%。与ST处理相比，NE/NER处理氮、磷用量分别降低10.1%和12.7%，钾肥用量提高了14.1%，而肥料总量差异未达显著水平（0.05）。

2.2 不同处理玉米产量、净收入与稳定性差异

试验年份（）和施肥处理（）对玉米产量（∶= 46.23，<0.001；∶=1 754.65，<0.001）和净收入（∶=532.52，<0.001；∶=1 661.70，<0.001）均具有显著影响，且两因素的互作效应均达到了显著水平（产量：=15.91，<0.001；净收入：=9.49，<0.001，=135）。玉米产量虽然在不同年际间存在差异，但整体趋势均表现一致，NE、NER和ST处理玉米产量在不同年份均显著高于FP处理（<0.05；图2），其中以NE处理玉米产量最高，9 a平均增幅为11.0%（表2）。在不同推荐施肥处理中，NE处理平均玉米产量显著高于NER处理（<0.05），增幅达5.1%，但与ST处理差异不显著（>0.05）。

经济效益方面，受不同年际玉米产量、玉米价格和生产投入成本的影响，净收入虽然在不同年际间中存在差异，但整体趋势均表现一致，NE、NER和ST处理净收入在不同年份均显著高于FP处理（<0.05），9 a平均增幅分别为14.3%、8.3%和11.0%。在不同推荐施肥处理中，NE处理平均净收入显著高于NER处理（<0.05），增幅达5.5%，但与ST处理差异不显著（>0.05）。

在稳定性方面，玉米产量CV值和净收入CV值均以CK处理最高，相反SI指数则以CK处理最低。与FP处理相比，NE处理玉米产量CV值和净收入CV值均显著下降（<0.05），降幅分别为15.6%和11.9%。在不同推荐施肥处理中，NE处理较NER和ST处理显著降低了玉米产量CV值和净收入CV值（<0.05），其中玉米产量CV值降幅分别为14.1%和11.6%，净收入CV值降幅分别为9.2%和7.2%；与FP处理相比，NE处理玉米产量SI指数和净收入SI指数均显著增加（<0.05），增幅分别为9.8%和12.9%。在不同推荐施肥处理中，NE处理玉米产量SI值和净收入SI值均显著高于NER处理（<0.05），增幅分别为5.9%和6.8%，但与ST处理差异不显著（>0.05）。

表2 不同处理玉米产量、净效益、变异系数及可持续性指数

2.3 不同处理养分吸收与利用效率

2.3.1 养分吸收

试验年份（）和施肥处理（）对玉米氮（∶= 181.59，<0.001；∶=8 803.87，<0.001）、磷（∶= 9.87，<0.001；∶=388.52，<0.001）、钾积累量（∶= 11.18，<0.001；∶=461.18，<0.001，=135）均具有显著影响，且两因素的互作效应均达到显著水平（氮积累量：=55.35，<0.001；磷积累量：=2.62，<0.001；钾积累量：=3.82，<0.001，=135）。玉米氮、磷、钾积累量虽然在不同年际间存在差异，但整体趋势均表现一致，不同推荐施肥处理间（NE、NER和ST）氮、磷、钾积累量差异均未达显著水平（>0.05；图3和表3），与FP处理相比，NE、NER和ST处理玉米氮、磷积累量在不同年份均显著提高（<0.05），其中氮积累量9 a平均增幅分别为11.6%、6.4%和8.8%，磷积累量9 a平均增幅分别为16.5%、10.7%和10.7%。而钾积累量差异未达显著水平（>0.05）。

表3 不同处理玉米平均氮、磷、钾积累量

2.3.2 肥料利用效率

试验年份（）和施肥处理（）对玉米肥料回收利用率（∶=1255.19，<0.001；∶=1346.64，<0.001）、农学利用率（∶=253.52，<0.001；∶=166.40，<0.001）和偏生产力（∶=38.77，<0.001；∶= 375.88，<0.001）均具有显著影响，且两因素的互作效应均达到显著水平（肥料回收利用率：=5.46，<0.001；肥料农学利用率：=2.86，<0.001；肥料偏生产力：=2.71，<0.001，=108）。玉米肥料利用效率虽然在不同年际间存在差异，但整体趋势均表现一致，NE、NER和ST处理不同年际间肥料回收利用率、农学利用率和偏生产力均显著高于FP处理（<0.05，图4），9 a平均肥料回收利用率、农学利用率和偏生产力提高幅度分别为29.0%～40.1%、31.3%～44.3%和22.0%～31.7%（表4）。在不同推荐施肥处理中，NE处理肥料回收利用率、农学利用率和偏生产力均显著高于NER和ST处理（<0.05）。其中肥料回收利用率分别提高5.7%和8.6%，农学利用率分别提高9.2%和9.9%，偏生产力分别提高5.3%和7.9%。

表4 不同处理玉米平均肥料利用效率

2.4 不同处理土壤养分含量变化

2.4.1 土壤无机氮含量

试验年份（）和施肥处理（）均对0～30 cm（∶=12.23，<0.001；∶=361.39，<0.001）、>30～60 cm（∶=9.79，<0.001；∶=298.3，<0.001）和>60～90 cm土壤无机氮含量（∶=7.36，<0.001；∶=209.43，<0.001）影响显著，且两因素的互作效应均达到显著水平（0～30 cm：=7.19，<0.001；>30～60 cm：=6.02，<0.001；>60～90 cm：=4.89，<0.001，=135）。不同层次土壤无机氮含量虽然在不同年际间存在差异，但整体趋势均表现一致。NE、NER和ST处理0～30 cm 土壤无机氮含量均显著高于FP处理（<0.05），其中以NER处理最高；而>30～60和>60～90 cm土壤无机氮含量均低于FP处理，其中>30～60 cm 土壤无机氮含量以NER处理降幅最高，>60～90 cm 土壤无机氮含量以NE处理降幅最高。在不同推荐施肥处理中，NER处理0～30 cm 土壤无机氮含量较NE和ST处理分别提高1.7%和13.6%；而ST处理的深层土壤>30～60和>60～90 cm无机氮含量较高，其中>30～60 cm较NE和NER处理分别提高了16.3%和23.0%，>60～90 cm分别提高了12.4%和5.5%。与试验起始时相比，FP处理0～30 cm土壤无机氮含量显著下降，而>30～90 cm土壤无机氮含量显著增加；在不同推荐施肥处理中，ST处理0～30 cm土壤无机氮含量较试验起始时有所下降，>30～90 cm土壤无机氮含量小幅提升；而NE和NER处理0～90 cm土壤无机氮含量变幅较小。

2.4.2 土壤有效磷和速效钾含量

试验年份（）和施肥处理（）均对土壤有效磷（∶=27.35，<0.001；∶=419.41，<0.001，=135）和速效钾含量（∶=46.97，<0.001；∶=29.63，<0.001，=135）影响显著，且两因素的互作效应均达到显著水平（有效磷含量：=11.34，<0.001；速效钾含量：=4.65，<0.001；=135）。虽然不同年际间的土壤有效磷和速效钾含量存在一定差异，但不同处理间的年季变化趋势表现一致，FP处理土壤有效磷含量显著高于NE、NER和ST处理（<0.05，图6），9 a平均增幅分别为4.0%、6.1%和6.3%。而不同推荐施肥处理间（NE、NER和ST）土壤有效磷含量差异无显著水平（>0.05）。不同施肥处理间土壤速效钾含量差异未达显著水平（>0.05）。与试验起始时相比，FP处理土壤有效磷含量显著提高（<0.05），并随施肥年限的增加而增加，9 a平均增幅为5.4%；而NE、NER和ST处理土壤有效磷含量与试验起始时差异未达显著水平（>0.05）。与起始土壤速效钾含量相比，各施肥处理均呈下降趋势，但各施肥处理间的差异未达显著水平（>0.05）。

2.5 不同处理氮磷钾平衡

经过9 a的连续种植（表5），CK处理的3种养分均表现为亏缺。而不同施肥处理氮、磷均表现为盈余。与FP处理相比，NE、NER和ST处理氮、磷盈余量均显著下降（<0.05），其中以NE处理氮、磷盈余量最低，降幅分别为95.0%和90.8%。不同推荐施肥处理中，与NER和ST处理相比，NE处理氮盈余量分别降低67.1%和86.0%，磷盈余量分别降低50.7%和77.6%，差异均达显著水平（<0.05）。钾与氮磷不同，不同施肥处理均表现为亏缺，而NE和NER处理钾亏缺量均显著低于FP处理（<0.05）。降幅分别为30.8%和30.1%。不同推荐施肥处理中，NE和NER处理钾亏缺量显著低于ST处理（<0.05），降幅分别为27.2%和26.4%。

表5 不同处理氮磷钾平衡（2012－2020年）

3 讨 论

3.1 玉米产量及经济效益

养分均衡供应可以促进作物对养分的吸收、转运及同化，并最终影响作物产量与经济效益[16,20]。本研究中，与FP处理相比，NE/NER和ST处理氮、磷肥平均用量显著降低，虽然钾肥用量高于FP处理，但施肥总量依然下降显著（<0.05），且NE/NER处理较ST处理肥料总量无显著性差异（图1）。与此同时，NE、NER和ST处理通过平衡施肥，在降低肥料用量的同时，玉米产量和稳定性显著高于或不次于FP处理，而NE、NER和ST处理以较低的施肥成本和获得较高的产量，其经济效益和稳定性也显著高于或不次于FP处理，且均以NE处理最高，后依次为ST和NER处理（图2，表2）。可见基于养分专家系统（NE）推荐施肥的效果优于基于土壤测试推荐施肥方法。主要是由于两种推荐施肥方法原理存在差异有关。基于土壤测试推荐施肥主要是通过土壤养分丰缺程度确定适宜肥料用量[21]，而相关研究表明[22]，土壤基础养分（氮、磷、钾）供应能力与土壤有效养分含量（碱解氮、有效磷和速效钾）的相关性较弱，特别是氮素在土壤中损失途径较多，且转化过程复杂，往往土壤养分测试值不能反映真实的土壤基础养分供应能力，因此在推荐肥料用量存在一定的不确定性[23-24]。养分专家系统推荐施肥在估算作物一定目标产量下的养分吸收量时，考虑了养分之间的相互作用，使模拟的产量与养分吸收关系曲线更接近于实测值[25]，并将施肥后的作物产量分为土壤基础养分供应产量和施肥所增加作物产量两部分，结合上季作物的养分盈余情况和当季作物收获的养分移走量，实现养分供需平衡，保证了土壤养分的稳定性[26]。同时养分专家系统推荐施肥采用的是“4R”养分管理策略[27]，如在本研究中氮肥按基肥:分蘖肥:开花肥3:5:2比例分次施用，最大限度的优化养分供给和作物需求间同步，因此总体表现相对更好。而NER处理中缓/控释氮肥由于受不同年际间降雨量的影响，影响其释放效果[28]，导致增产效果低于NE和ST处理。

3.2 养分吸收利用

肥料利用效率作为评价施肥是否合理的重要指标之一，反映的是作物-土壤-肥料三者间关系的动态参数。由作物产量、养分吸收总量和肥料投入量共同决定[29]。而作物养分积累是作物生长、根系吸收能力和土壤养分有效性动态变化的结果。是提高作物产量和肥料利用效率的基础。相关研究表明[30]，氮磷钾的平衡施用可促进作物对养分的吸收与利用，进而提高提高和肥料利用效率。本研究中，由于受不同年际间环境、肥料用量和产量变化的影响，养分吸收总量和肥料利用效率在各年际间变异性较大，但整体趋势一致，NE、NER和ST处理氮、磷积累量和肥料利用率均高于FP处理（图2，表2，图3，表3）。这说明过量、不平衡施肥以及施肥方式不当是造成农民习惯施肥模式肥料利用效率低下的主要原因。NE、NER和ST三处理中，以NE处理肥料利用效率高于ST处理。主要是因为：1）相比于基于土壤测试推荐施肥，养分专家系统的肥料投入总量更为合理，氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）肥平均用量198、85和108 kg/hm2，与本研究小组前期研究推荐的肥料用量基本一致[31]。并且磷钾推荐施肥量与陈新平等[32]倡导的磷钾肥恒量监控理念相符合；2）养分专家系统的氮肥运筹模式更为合理，无论是采用分次施氮或与缓控释肥一次性配施方案，其养分供给和作物需求间的同步效果均优于基于土壤测试推荐施肥，使其在肥料用量低于基于土壤测试推荐施肥条件下，获得较高的玉米产量和养分积累量，进而提高肥料利用效率。

3.3 土壤养分含量变化与养分收平衡

土壤不仅对作物生长起到支撑作用，同时也是肥料养分供给的主要媒介和作物养分的主要供给者[33]，当投入养分超过作物需求，会导致养分残留在土壤中或流失到环境中，对生态环境安全构成威胁，而土壤中含量较低的营养元素因得不到及时补充，导致其养分耗竭，从而造成土壤养分的不均衡化。因此，判定施肥模式是否合理，除考虑肥料对作物产量、效益和利用率影响外，关注不同施肥模式土壤养分含量变化十分重要。本研究发现，与试验起始时相比，FP处理氮、磷含量变幅较大，显著提高了深层土壤无机氮含量和表层土壤有效磷含量，其中0～30 cm土壤无机氮含量显著下降，而速效钾含量与试验起始时差异未达显著水平（图5，图6）。说明农民习惯施肥模式氮磷肥用量过大，远超过作物对氮磷养分的需求，且由于氮肥一次性基施，使氮素供应和作物对氮的需求不匹配，进而导致大量的氮素积累在土壤中，当残留氮超过土壤的固持能力，会逐渐淋洗到土壤深处，造成氮素损失[34]。而土壤中磷素虽然具有强烈的固定能力，但相关研究表明，当土壤磷素过量累积时，也会引发环境风险[35]。NE、NER和ST三处理土壤无机氮、有效磷和速效钾含量变幅均低于FP处理，其中以NE处理变幅最小，后依次为NER和ST处理。进一步证明了基于养分专家系统推荐施肥模式使土壤养分供应与玉米养分需求更趋于一致，可更好地维持土壤有效养分（无机氮、有效磷、速效钾）的稳定性。

土壤养分收支平衡反映了农田土壤养分需求和平衡状况，对养分资源管理具有重要作用。相关研究表明[36]，农田土壤养分收支的平衡值与土壤有效养分含量间呈显著正相关关系，因此农田土壤养分平衡的盈亏是决定土壤养分的消长的关键因素。鲁如坤等[37]研究表明，农田氮磷盈余率应保持在20%以下时，不会对环境造成潜在威胁。本研究9 a农田土壤养分平衡状况看，FP处理氮磷支出量分别占投入量的66.5%和57.8%，投入量远超过了作物对氮磷养分的需求。而NE、NER和ST处理的氮磷支出量分别占投入量的85.7%～97.8%和79.0%～94.6%，氮磷养分投入量与作物需求量相近。其中以NE处理氮磷素盈余最低（表5）。可见，农民习惯施肥模式造成了较高的土壤氮磷盈余，易对土壤环境产生威胁；而养分专家系统推荐施肥可在满足作物对氮、磷养分需求的同时，维持了土壤氮磷养分的平衡。钾与氮磷不同，不同施肥处理钾素平衡均表现为亏缺（表5）。肖克等[38]研究表明，当前推荐钾肥用量并不能弥补作物收获带走的钾量，虽然东北地区土壤钾库丰富，但长期亏损会造成土壤钾库耗竭[38-39]。而增加钾肥用量虽然可以减少土壤钾素损失，但不能获得较高的收益和钾素利用效率。因此，应通过秸秆还田或增施有机肥等手段提高钾素资源投入来解决土壤钾素亏缺，是最有效的途径。

4 结 论

在东北玉米的长期田间定位推荐施肥试验研究结果显示，养分专家系统推荐依据4R原则在施肥量、施用时间和施用比例上根据玉米养分需求规律进行了优化，可在降低肥料用量的同时，提高玉米产量11.0%、提高净收入14.3%，提高肥料回收率40.1%，并可保持土壤养分稳定。在养分专家系统推荐施肥基础上采用缓/控释氮肥的轻简化施肥模式，仍然可获得较高的收益。因此是一种适用于中国东北玉米的推荐施肥方法。

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Long-term comprehensive effects of recommended fertilization based on nutrient expert system of maize in Northeast China

Hou Yunpeng1, Kong Lili1, Xu Xinpeng2, Yin Caixia1, Zhang Lei1, Zhao Yinkai1, Liu Zhiquan1, Wang Lichun1※

(1./130033,; 2,100081,)

A long-term site-specific experiment of fertilizer recommendation from 2012 to 2020 was conducted to evaluate the comprehensive effects of nutrient expert decision support system on yield, benefit, fertilizer use efficiency, and soil nutrient of spring maize in northeast China. Five treatments included no-fertilizer (CK) as the control, currently traditional farmers’ practices (FP), fertilizer recommended using a nutrient expert system (NE), slow/controlled-release nitrogen fertilizer using the same rate as NE treatment (NER), and conventional fertilizer recommendation using soil testing (ST). The current study also investigated the long-term changes of maize yield, benefit, fertilizer use efficiency, the contents of inorganic N, available P, and available K in the soil, as well as the balance of nutrient input/output during the nine-year period. The results showed that the maximum, minimum, or mean values of fertilizer inputs in NE, NER,and ST treatments were all significantly lower than that of FP treatment (<0.05), respectively. In different nutrients, NE, NERand ST treatments significantly reduced the amounts of nitrogen (N) and phosphorus (P) fertilizers application (<0.05), but significantly increased the amount of potassium (K) fertilizer application (<0.05), compared with that of FP treatment, respectively. As compared to FP treatment, NE, NERand ST treatments significantly improved maize yield and net income. In which, NE treatment achieved the highest value, with the average increment by11.0% and14.3%, respectively. In all the treatments, NE treatment achieved the highest stability, and followed by ST and NERtreatment.The recovery efficiency, agronomic efficiency, and partial factor productivity in the NE, NER,and ST treatments were significantly higher than those in FP treatment, where increased by 29.0%-40.1%, 31.3%-44.3%, and 22.0%-31.7%, respectively. Specifically, the highest value was observed in NE treatment, followed by NERand ST treatments. Compared with FP treatment, NE, NERand ST treatments significantly improved the inorganic N content in 0-30 cm soil layer (<0.05), but significantly reduced inorganic N content in >30-90 cm soil layer (<0.05) and available P content in 0-30 cm soil layer (<0.05). But the soil available K content wasn’t significantly different (>0.05) among different fertilization treatments. The contents of soil inorganic N, available P, and available K in NE treatment were close to the initial testing values before planting. The nutrient input/output balance was obtained during the nine-year period, where the N and P balances were surplus under all fertilization treatments, whereas, the K balance was deficient. But the surplus of N, P, and the deficiency of K in NE treatment attained the lowest values, followed by NERand ST treatments. In conclusion, compared with farmers’ practices and the conventional fertilizer recommendation system, the NE fertilization recommendation system fully met the nutrient requirements of maize, with optimal fertilization rate, time, and ratio. Consequently, the NE fertilization recommendation system has the potential to improve maize yield, benefits, and fertilizer use efficiency, thereby maintaining the soil nutrient stability under the reduction of fertilizer application amount, compared with farmers’ practices. However, the simplified fertilization of slow/controlled-release nitrogen fertilizer in the NE fertilization recommendation system also obtained higher benefits, but reduced labor cost. Therefore, the NE system is an appropriate fertilizer recommendation for maize in northeast China.

soils; nutrient; fertilizers; nutrient expert system; maize yield; net income; fertilizer use efficiency; nutrient balance

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Hou Yunpeng, Kong Lili, Xu Xinpeng, et al. Long-term comprehensive effects of recommended fertilization based on nutrient expert system of maize in Northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(19): 129-138. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.015 http://www.tcsae.org

2021-03-24

2021-06-10

吉林省农业科技创新工程自由创新项目（CXGC2021ZY004）；国家重点研发计划（2016YFD0701200）

侯云鹏，副研究员，研究方向为养分资源高效利用技术。Email：exceedfhvfha@163.com

王立春，博士，副研究员，博士生导师，研究方向为玉米栽培。Email：wlc1960@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.015

S513

A

1002-6819(2021)-19-0129-10